天然β胡萝卜素提取工艺研究进展

梁明

摘要 β胡萝卜素是维生素A的重要来源并且可作为食品着色剂，同时其突出的抗癌特性和抗氧化性使其成为日常膳食补充剂的理想选择。综述了国内外近十年来不同来源的生物原料中天然β胡萝卜素提取工艺的研究概况，将其归纳为有机溶剂萃取法、超临界CO2萃取法、超声波辅助萃取法、微波辅助萃取法和酶解辅助萃取法，并对比了各种方法的优缺点，以期为今后β胡萝卜素及其他天然色素特别是类胡萝卜色素的提取与开发提供参考。

关键词 β胡萝卜素；超临界CO2萃取；超声波辅助萃取；微波辅助萃取；酶解辅助萃取

中图分类号 S609.9；TS202.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）20-06771-03

Research Progress on Extraction Techniques of Natural βcarotene

LIANG Ming

（Infinite Pole Co. Ltd.， Guangzhou， Guangdong 510641）

Abstract βcarotene is the main source of provitamin A and is widely used as a food colorant and meanwhile， the outstanding antioxidant and anticancer properties of βcarotene make it an ideal component for daily food supplements. The present review is focused on the current technologies for natural βcarotene extraction and presents an overview of new tendencies regarding the carotenoids extraction from vegetables， filamentous fungi， bacteria， microalgae， yeasts and so on. Research advances of natural βcarotene extraction by different techniques in recent ten years were reviewed in this paper including conventional solvent extraction， supercritical CO2 extraction， ultrasoundassisted extraction， microwaveassisted extraction and so on. The advantages and disadvantages for each technique were given as well， which could supply useful information for further research on βcarotene and other natural pigments especially for carotenoids.

Key words βcarotene； Supercritical CO2 extraction； Ultrasoundassisted extraction； Microwaveassisted extraction； Enzymeassisted extraction

β胡萝卜素（βcarotene）属于类胡萝卜素，分子式为C40H56，化学结构式如图1所示。天然的β胡萝卜素是全反式结构。1分子β胡萝卜素可转化为2分子维生素A，因此β胡蘿卜素又被称为VA原。

图1 β胡萝卜素的化学结构式

β胡萝卜素是维生素A的重要来源，并且具有较强抗氧化作用，还可促进细胞缝隙间的连接交流，提高人体免疫力并降低肺癌、结肠癌等癌症的发病率。β胡萝卜素具有良好的着色性能，着色范围是黄色、橙红，着色能力强并且色泽稳定均匀，能与K+、Zn2+、Ca2+等离子并存而不变色[1]。β胡萝卜素可以抑制乳腺癌、结肠癌、黑色素瘤以及前列腺癌等多种肿瘤细胞的增殖，并能通过激活caspase2和caspase8、降低线粒体膜电位、增加细胞色素C的释放、调节核因子、抑制激活蛋白、下调抗凋亡蛋白的表达、上调过氧化酶体增殖因子受体以及热休克蛋白的水平等机制促进肿瘤细胞凋亡[2]。

β胡萝卜素在胡萝卜、芒果、番木瓜、番茄等水果中含量较高。天然β胡萝卜素的来源主要有微藻如杜氏盐藻（Dunaliella）、丝状真菌如Blakeslea trispora 和 Phycomyces blakesleeanus、酵母如蔷薇色酵母属（Rhodotorula）、基因工程菌如Escherichia coli，蔬菜如胡萝卜、棕榈油等[3]。比如在成熟的2种的芒果Malgoa和Badami中β胡萝卜素的含量分别为（5.5±0.3）mg/kg和（32.1±2.5）mg/kg；而Badami和Raspuri 2种芒果中β胡萝卜素的生物利用率分别为24.5%和39.1%[4]。β胡萝卜素和天然胡萝卜素是GB2760-2011《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》许可使用的着色剂，是可在各类食品中按生产需要适量使用的食品添加剂。预计到2015年，全球β胡萝卜素的销售额将超过2.80亿美元[3]。目前β胡萝卜素的生产方法主要有天然β胡萝卜素提取法、化学合成法和生物合成法。生物合成法主要是利用红酵母、三孢布拉氏霉、杜氏盐藻、螺旋藻以及基因工程菌来生产和提取β胡萝卜素[5]。

笔者综述了天然β胡萝卜素的提取工艺研究进展，将其归纳为有机溶剂萃取法、超临界CO2萃取法、超声波辅助萃取法、微波辅助萃取法和酶解辅助萃取法，综述了国内外近十年来天然β胡萝卜素提取工艺的研究概况。

1 有机溶剂萃取法

有机溶剂萃取法是提取生物活性物质的传统方法，其优点是设备投资成本较低、工艺技术成熟并且易于实现工业化。β胡萝卜素是一种脂溶性色素，常用的提取剂有乙酸乙酯、丙酮、乙醇、石油醚、甲醇等，影响因素主要有提取剂、料液比、原料粒度、浸提温度、浸提时间、浸提次数、pH等。

胡小明等以新疆产胡萝卜为原料提取β胡萝卜素，得出的提取工艺为：用石油醚作提取剂，以氨水/乙醇（5∶35， V/V）作稳定剂，加入2%的CaCl2·2H2O作沉淀剂，CaCl2溶液与胡萝卜汁的体积比为2∶1，β胡萝卜素提取率为1 884.9 mg/kg[6]。吕爽以胡萝卜为原料提取β胡萝卜素，优化得到的有机溶剂法最佳工艺参数为：以体积比为2∶1的乙酸乙酯和无水乙醇作提取剂，萃取时间120 min，萃取温度50 ℃，料液比1∶10 g/ml，提取2次，色素的提取率为90.4%[7]。吕乔璐以叶绿素厂废料为原料提取β胡萝卜素，建立了乙醇提取、液液萃取两步法提取工艺，具体工艺如下：以乙醇为提取剂，液固比为3 ml/g，室温下搅拌10 min，加入0.1%（W/W）的抗氧化剂BHT；然后采用正己烷-乙醇-水（10∶10∶1）进行液液萃取，室温下萃取1次，上样浓度为15%，粗提物β胡萝卜素含量为0.2%，回收率约为85%[8]。

郭鹏飞以番木瓜果肉为原料，优化得到的工艺条件为：以95%的乙醇为原料，料液比为1∶13 g/ml，温度35 ℃，提取100 min；然后再用石油醚提取2次滤渣，料液比分别为1∶7和1∶6 g/ml，浸提2 h，提取物中总类胡萝卜素的含量为（73.3±8.0） μg/g[9]。滕长英等以盐生杜氏藻（Duna liella salina）为原料，优化得到的提取工艺为：以丙酮-甲醇混合溶剂（7∶2， V/V）为提取剂，在25 ℃下浸提5 min，提取3次，单位培养基中β胡萝卜素含量为0. 464 mg/L[10]。Kubola等以木鳖果（Momordica cochinchinensis Spreng）假种皮为原料，优化得到的工艺参数为：提取剂为氯仿-甲醇混合溶剂（2∶1， V/V），料液比为1∶10 g/ml，萃取温度为25 ℃，假种皮油中番茄红素和β胡萝卜素的含量分别为0.49 mg/g和1.18 mg/g，远高于新鲜假种皮中的含量0.045 mg/g和0.009 mg/g[11]。并且还发现热风干燥番茄红素含量最高，为0.82 mg/（干基），其次为远红外干燥0.67 mg/g（干基），再次为低相对湿度空气干燥0.56 mg/g（干基）。

有机溶剂萃取法的优点是容易实现工业化大生产，但是对于β胡萝卜素的提取存在着选择性不高、萃取得率较低的缺点，常常需要利用多种溶剂进行提取，因而增加了安全性风险。另外，由于β胡萝卜素在高温下易发生异构化反应和氧化反应，需要考虑温度和氧气对番茄红素的影响，提取时应避光操作。

2 超临界CO2萃取法

超临界流体萃取（Supercritical fluid extraction， SFE）是通过升温和加压使流体在高于临界温度和临界压力的状态下萃取目标组分的分离技术。目前超临界CO2已广泛应用于番茄红素、β胡萝卜素等类胡萝卜色素和其他色素类活性物质的提取。

王大为等以玉米蛋白粉为原料，采用超临界CO2萃取β胡萝卜素，得出的最佳工艺条件为：以无水乙醇作夹带剂，夹带剂用量为10%，萃取温度40 ℃，萃取压力20 MPa，萃取时间150 min，β胡萝卜素提取率为88.70%[12]。Cadoni等采用超临界CO2萃取番茄浆和番茄皮中的番茄红素和β胡萝卜素，萃取工艺为：压力27.58 MPa，温度80 ℃，用氯仿作夹带剂，夹带剂和原料之比为1∶2.5 ml/g，CO2流速为500 cm3/min，萃取物中含有65%的番茄红素（644.1±1.2）mg/kg和35%的β胡蘿卜素（348.8±4.2） mg/kg；而索氏提取的得率为：（770.8±0.7）mg/kg番茄红素，（377.6±3.7）mg/kg β胡萝卜素[13]。Sabio等以番茄加工副产物番茄皮为原料，得到的萃取工艺为：原料平均粒径0.345 mm，萃取温度80 ℃，萃取压力30 MPa，CO2流速0.792 kg/h，萃取时间8.2 h，番茄红素和β胡萝卜素的回收率分别为80%和88%[14]。Sanal等以杏皮渣为原料，通过响应面优化得到的最优工艺参数为：萃取压力31.1 MPa，萃取温度68.85 ℃，夹带剂为27.4%的乙醇，CO2和夹带剂的流速为1 ml/min，β胡萝卜素得率为98 μg/g（干基）[15]。

Davarnejad等采用超临界CO2萃取天然棕榈油中的β胡萝卜素，试验得出的最有工艺参数为：萃取压力7.5 MPa，萃取温度120 ℃，萃取1 h，β胡萝卜素得率为1.741×10-2%[16]。而通过响应面试验得出的最优工艺为：萃取压力14 MPa，温度102 ℃，萃取3.14 h，β胡萝卜素得率为1 028×10-2%。MacíasSánchez等以微藻（Scenedesmus almeriensis）为原料，得出超临界萃取的工艺条件为：萃取压力40 MPa，萃取温度60 ℃，CO2流速1 g/min，萃取5 h，β胡萝卜素得率为1.50 mg/g干基[17]。Bashipour等以库拉索芦荟（Aloe vera）为原料，通过遗传算法得到的超临界CO2萃取最优工艺参数为：萃取压力29 MPa，温度60 ℃，CO2流速1 ml/min，静态萃取时间15 min，动态萃取时间260 min，β胡萝卜素得率为0.352 4 g/kg（干基）；与用石油醚索氏抽提（料液比1∶20 g/ml，萃取8 h）的得率0.362 6 g/kg（干基）接近[18]。

超临界CO2萃取法通常和萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流速、原料粒度等因素有关，对于不同的原料需要通过试验来确定最优工艺。由于β胡萝卜素在CO2中溶解度有限，需使用夹带剂来提高萃取率，寻找合适的夹带剂并进行适当的预处理可以有效提高萃取率。

3 超声波辅助萃取法

超声波辅助萃取技术（Ultrasoundassisted extraction， UAE）是一种新型的化工分离技术，已广泛应用于天然色素和生物活性物质的提取。

秦宏伟等采用超声波辅助萃取甘薯中的β胡萝卜素，得出最佳条件为：提取溶剂为丙酮∶石油醚=3∶7（V/V），室温下提取为25 min，料液比为1∶4 g/ml，提取3 次，回收率可达90%以上[19]。马少君以甜橙皮为原料，得出超声波辅助萃取的工艺条件为：提取溶剂为石油醚

∶丙酮=2∶1（V/V），冻干果皮，料液比1∶50 g/ml，超声功率270 W，超声时间6 min，提取5次，提取温度40 ℃，粒度为100～120目，类胡萝卜素的提取率为（82.4±1.2）%[20]。房明以螺旋藻为原料，采用超声波辅助萃取法提取β胡萝卜素，优化得到的最佳工艺条件为：提取剂为甲醇-丙酮混合液（4∶6， V/V），固液比为1∶25 g/ml，超声功率51%，超声时间为17 min，β胡萝卜素提取率为1 942.14 μg/g[21]。Sun等以柑橘皮为原料，采用超声波辅助萃取全反式β胡萝卜素，提取剂为乙酸乙酯，料液比为3∶30 g/ml，温度25 ℃，萃取120 min，超声强度为544.59 W/cm2，占空因数为66.70%[22]。并且还发现当原料粒度小于0.28 mm时，超声波辅助萃取跟传统溶剂萃取相比没有显著性差异。Shen等以微藻（Dunaliella salina）为原料，采用超声波辅助萃取全反式β胡萝卜素，以四氢呋喃为溶剂，液料比240 ml/g，在29.85 ℃下提取30 min，超声频率为40 kHz，超声功率300 W，提取物中全反式β胡萝卜素含量为44.7 mg/g，回收率為100%[23]。经柱色谱分离后再利用超临界抗溶剂技术制粉，条件为：压力18 MPa，40 min，CO2流速为0.2 ml/min，喂料浓度为4～5 mg/ml。产品的平均粒径为3.5～19 μm，全反式β胡萝卜素含量为926.8 mg/g，回收率为54%。Dey等采用超声波辅助萃取法提取螺旋藻（Spirulina platensis）中的β胡萝卜素，优化的得到的工艺参数为：1.5 g螺旋藻，首先在甲醇中预浸泡2 min，然后加入50 ml正庚烷，萃取温度为30 ℃，超声强度为167 W/cm2，占空因数为61.5%，萃取8 min，超声探头距液面的深度为0.5 cm，β胡萝卜素提取率为47.10%[24]。并且甲醇浸泡2 min预处理可以使β胡萝卜素得率提高12倍。

对于β胡萝卜素的提取，与其他新型萃取技术如微波辅助萃取等相比，超声波辅助萃取技术的设备价格更低而且操作简单。然而对于超声波辅助萃取β胡萝卜素而言，原料粒度是一个很重要的影响因素，而且合适原料的预处理也可大大提高萃取得率。

4 微波辅助萃取法

微波辅助萃取技术（Microwave assisted extraction， MAE）是利用微波的热效应、生物效应等多级效应来辅助和强化溶剂萃取的一种新型化工分离技术。微波辅助萃取技术已广泛应用于番茄红素、β胡萝卜素等类胡萝卜素及其他天然活性物质的提取。

吕爽采用微波辅助萃取胡萝卜中的β胡萝卜素，得出的最佳工艺参数为：以体积比为2∶1的乙酸乙酯和无水乙醇混合液作提取剂，微波功率为480 W，提取时间40 s，料液比1∶10 g/ml，提取4次，色素的提取率为77.5%[7]。李亚萍等以新鲜胡萝卜为原料，微波辅助提取的最佳工艺参数：微波功率394 W，时间6 min，液料比为43 ml/ g，β胡萝卜素的提取率为0.399 mg/g[25]。于平等以钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）为原料，得出的最优提取工艺为：以95%乙醇-丙酮混合液（3∶7， V/V）作提取剂，，先静置60 min，然后在微波功率500 W下提取8 min，β胡萝卜素的提取率为833.6 μg/g[26]。与单纯溶剂法提取相比，采用微波辅助萃取法β胡萝卜素得率提高了1 倍多。Hiranvarachat等以胡萝卜为原料，采用微波辅助萃取法萃取β胡萝卜素，优化得到的工艺参数为：以正己烷-丙酮-乙醇混合溶剂（2∶1∶1， V/V； 沸点为58 ℃）作提取剂，料液比2∶75 g/ml，微波功率为180 W，提取时间3 min[27]；还研究了不同预处理对β胡萝卜素提取的影响，沸水中漂烫1.5 min和在柠檬酸溶液（pH=5； 0.5%柠檬酸， W/V）中漂烫1.5 min预处理，提取物中β胡萝卜素含量分别为297.4 和320.8 mg/kg干基；显著高于未处理样品232.6 mg/kg干基。然而微波辅助萃取的得率（232.6±20.5）mg/kg干基显著低于索氏抽提6 h的得率（291.8±5.8）mg/kg干基。但是前者的萃取时间（3 min）远远小于索氏抽提法（6 h）。

微波辅助萃取β胡萝卜素具有提取得率高、提取时间短的优点。但是由于β胡萝卜素在较高的温度下易发生异构化反应和氧化降解反应，而且微波加热的温度升高快，需考虑温度对β胡萝卜素的影响。

5 酶解辅助萃取法

酶解辅助萃取法（Enzymeassisted extraction， EAE）是一种条件温和并且环境友好的提取方法。利用特定酶来降解或破坏细胞壁或细胞膜中的果胶、糖蛋白、纤维素和半纤维素等，使生物活性物质从细胞中释放出来，能够减少使用有机溶剂、加快提取速度并提高萃取得率。

吕爽采用酶解辅助萃取胡萝卜中的β胡萝卜素，得出的最佳工艺为：以体积比为2∶1的乙酸乙酯和无水乙醇混合溶剂作提取剂，加入纤维素酶和果胶酶复合酶进行酶解，纤维素酶的加酶量为0.7%，酶解温度55 ℃，时间180 min，pH为4.6；果胶酶用量为12%，酶解温度55 ℃，时间60 min，pH为4.6，色素的提取率为99.8%[7]。Ahmed等研究干燥条件对甘薯中β胡萝卜素提取的影响，优化得到的工艺为：将去皮后的甘薯切成1 mm厚的条状，然后用2.0%的柠檬酸室温下浸泡1.84 min，再在烘箱中55.06 ℃干燥6～7 h（水分含量为6%～7%），磨成粉过80目筛后进行提取，β胡萝卜素的含量为14.61 mg/g[28]。

利用食品级细胞壁降解酶类（如纤维素酶、果胶酶、半纤维素酶等）水解胡萝卜、藻类等原料中的细胞壁多糖，可以减少萃取过程中的传质障碍，进而提高萃取得率。由于操作条件温和提取时间短，比较适合β胡萝卜素这类易被氧化降解的物质的提取，但是需要考虑酶在有机溶剂中的活性问题。

6 存在的问题与展望

β胡萝卜素作为一种具有重要生理活性的脂溶性色素，由于它在较高的温度下易发生异构化反应和氧化降解反应，在萃取的过程中应注意β胡萝卜素的保护问题。国外对超临界萃取β胡萝卜素的研究相对较深入，而寻找合适的夹带剂和进行合适的预处理是很好的突破口。由超声波辅助萃取法和微波辅助萃取法能有效提高β胡萝卜素萃取率并缩短提取时间。未来的研究应注重萃取机理、工艺条件对β胡萝卜素结构、活性及生物利用率等的影响、多技术联用协同萃取以及通过正交或響应面试验优化工艺参数，同时对于天然β胡萝卜素的开发应注重开拓原料来源，特别是从加工副产物中进行提取和分离。

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